Расчет пластинчатого теплообменника excel

Теплообменник «труба в трубе»

Опубликовано 28 Фев 2016
Рубрика: Теплотехника | 67 комментариев

(Статья дополнена P. S. (20.10.2019).)

Для нагрева холодной воды (разумеется, без смешивания) от системы отопления используются теплообменные аппараты — рекуператоры, в которых две среды движутся в своих полостях, разделенные металлической стенкой. …

…Горячая вода системы отопления, остывая, через стенку нагревает холодную воду в системе горячего водоснабжения.

Из рекуператоров наибольшее распространение получили пластинчатые и кожухотрубчатые теплообменники, которые широко используются не только в коммунальном хозяйстве, но и в первую очередь в различных отраслях промышленности и энергетики. При этом в качестве греющих и нагреваемых сред могут быть самые разнообразные жидкости и газы.

Пластинчатые теплообменники компактнее и эффективнее «древних советских» кожухотрубчатых рекуператоров, однако, последние более просты в изготовлении и в несколько раз дешевле. А некоторые современные образцы отечественных кожухотрубных теплообменников обыгрывают в разы по всем статьям западные пластинчатые аналоги (rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=341).

Теплообменник «труба в трубе» – это простейший вариант кожухотрубного аппарата.

В этой статье представлен алгоритм и теплотехнический расчет в Excel водо-водяного теплообменника типа «труба в трубе». Если греющая и нагреваемая среды — не вода, то некоторые исходные данные и формулы, использованные в программе, требуется существенно изменить!

Водо-водяной теплообменник «труба в трубе». Расчет в Excel.

На рисунке, представленном ниже, внутренняя труба является теплообменной, а наружная – кожуховой. Греющая вода движется слева направо и остывает, отдавая тепло через стенку внутренней трубы нагреваемой воде. Нагреваемая вода движется справа налево и нагревается.

Снаружи аппарат теплоизолирован. В расчете далее условно принято, что теплоизоляция обеспечивает абсолютное отсутствие теплообмена между наружной трубой и окружающей средой.

Если наружная труба не изолируется, то в расчете необходимо учесть потери тепла окружающему пространству. Как это сделать, можно посмотреть здесь.

Изображенная на рисунке схема движения жидкостей называется противотоком – нагреваемая вода движется навстречу греющей. Прямотоком, соответственно, будет движение потоков в одном направлении.

Из скриншота программы очевидно, что пользователю нужно заполнить светло-бирюзовые и бледно-зеленые ячейки исходными данными и в светло-желтых ячейках считать результаты вычислений.

Расчет в Excel теплообменника «труба в трубе» выполняется по нижеприведенному алгоритму.

i=1 – для греющей воды и внутренней стенки теплообменной трубы

i=2 – для нагреваемой воды и внешней стенки теплообменной трубы

x=1 – при прямотоке

x=2 – при противотоке

9. Средняя температура воды

t_i=(t_iвх+t_iвых)/2

10. Средняя температура поверхностей стенки внутренней теплообменной трубы в первом приближении

t_ст1=t_ст2=(t₁+t₂)/2

11. Передаваемая тепловая мощность

N=G₂*C_p*(t_2вых—t_2вх)

8. Температура греющей воды на выходе

t_1вых=t_1вх—N/(G₁*C_p)

12. Средняя плотность воды

ρ_i=-0,003*t_i²-0,1511*t_i+1003,1

13. Среднее значение коэффициента кинематической вязкости воды

ν_i=0,0178/(1+0,0337*t_i+0,000221*t_i²)/10000

14. Среднее значение коэффициента теплопроводности воды

λ_i=0,581+0,0012*t_i

15. Среднее значение критерия Прандтля для воды

Pr_i=7,5-0,0694*t_i

16. Скорость движения воды во внутренней трубе и в кольцевом пространстве наружной трубы

v₁=G₁/(π*d₁²/4)/ρ₁

v₂=G₂/(π*(d₂²—D₁²)/4)/ρ₂

Желательно чтобы скорость движения воды находилась в диапазоне 0,25…2,5 м/с. Большие значения из диапазона предпочтительнее с точки зрения увеличения турбулентности потока и, следовательно, коэффициента теплоотдачи, но не предпочтительны с точки зрения увеличения гидравлического сопротивления системы, требующего насосы повышенных мощностей.

17. Число Рейнольдса для греющего и нагреваемого потоков

Re₁=v₁*d₁/ν₁

Re₂=v₂*(d₂— D₁)/ν₂

Режим течения воды по трубам должен быть турбулентным, т.е. Re>2300 (еще лучше, если Re>10000).

18. Среднее значение критерия Прандтля для внутренней и внешней поверхностей стенки теплообменной внутренней трубы

Pr_стi=7,5-0,0694*t_стi

19. Критерий Нуссельта со стороны греющей и со стороны нагреваемой воды

Nu₁=0,021*Re₁^0,8*Pr₁^0,43*(Pr₁/Pr_ст1)^0,25

Nu₂=0,017*Re₂^0,8*Pr₂^0,4*(Pr₂/Pr_ст2)^0,25*(d₂/D₁)^0,18

20. Коэффициент теплоотдачи от греющей воды стенке и от стенки нагреваемой воде

α₁=Nu₁*λ₁/d₁

α₂=Nu₂*λ₂/(d₂—D₁)

21. Коэффициент теплопередачи

K=1/(1/α₁+((D1— d1)/2)/λ_ст-1/α₂)

22. Максимальный температурный напор

Если x=1 (прямоток), то

Δt_max=t_1вх— t_2вх

Если x=2 (противоток) и t_1вх— t_2вых>t_1вых— t_2вх, то

Δt_max=t_1вх— t_2вых

Если x=2 (противоток) и t_1вх— t_2вых<t_1вых— t_2вх, то

Δt_max=t_1вых— t_2вх

23. Минимальный температурный напор

Если x=1 (прямоток), то

Δt_min=t_1вых— t_2вых

Если x=2 (противоток) и t_1вх— t_2вых<t_1вых— t_2вх, то

Δt_min=t_1вх— t_2вых

Если x=2 (противоток) и t_1вх— t_2вых>t_1вых— t_2вх, то

Δt_min=t_1вых— t_2вх

24. Среднелогарифмический температурный напор

Δt_ср=(Δt_max— Δt_min)/ln(Δt_max/Δt_min)

25. Плотность теплового потока

q=K*Δt_ср

10*. Теперь следует вернуться к пункту 10 и вычислить средние температуры поверхностей стенки внутренней теплообменной трубы во втором приближении по новым формулам

t_ст1=t₁—q/α₁

t_ст2=t₂+q/α₂

!!! С новыми значениями температур поверхностей стенки нужно заново выполнить расчеты по пунктам 18-21 и 25 и опять пересчитать значения t_ст1 и t_ст2 в третьем приближении…

В представленной программе расчет в Excel выполняется 6 раз. Для точности необходимой на практике обычно бывает достаточно выполнить 2 или 3 приближения.

26. Площадь поверхности нагрева

F=N/q

27. Расчетная длина нагревателя

L=F/(π*d₁)

28. Диаметры присоединительных патрубков

d_пi=(3600*Gi/(π*v_max*ρ_i))^0,5/30

В расчете максимальная скорость воды v_max принята равной 1,8 м/c. При необходимости можно ее увеличить до 2,5 м/с или принять равной скорости движения воды по теплообменнику.

На этом теплотехнический расчет в Excel теплообменника «труба в трубе» можно считать завершенным. Гидравлический расчет поможет выполнить эта статья на блоге.

Отложения, образующиеся в процессе эксплуатации на поверхностях стенки внутренней теплообменной трубы, существенно влияют на коэффициент теплопередачи и могут со временем в 1,5-2 раза снизить эффективность работы любого теплообменника. Рассмотренный расчет в Excel это не учитывает.

Заключение.

Посмотрите небольшое видео о работе в представленной программе, которое поможет быстрее понять логику алгоритма и некоторых штатных приемов работы в Excel.

Теперь, считая теплообменник «труба в трубе», вы, уважаемые читатели, избавлены от рутинных ручных расчетов, и у вас будет больше времени на техническое творчество.

Ссылка на скачивание файла: teploobmennik-truba-v-trube (xls 111KB)

P. S. (20.10.2019)

Решил попробовать повысить точность вычислений и занялся переработкой алгоритма. В итоге в новый вариант программы внесены следующие изменения:

1. В исходных данных добавился еще один параметр – давление воды (P_i). Хотя существенного влияния на теплофизические параметры воды давление не оказывает, но всё же…

2. Средняя температура воды в трубах (t_i) вычисляется по уточненному алгоритму. Для потока, в котором температура воды изменяется меньше, она определяется как среднеарифметическая: t_i=(t_iвх+t_iвых)/2. Для потока, в котором температура от входа до выхода изменяется больше, средняя температура определяется как сумма или разность среднеарифметической температуры другого потока и среднелогарифмического напора: t_j=t_i±Δt_ср.

3. Теплофизические параметры воды – плотность (ρ_i), коэффициент кинематической вязкости (ν_i), коэффициент теплопроводности (λ_i), критерий Прандтля (Pr_i), изменяющиеся от температуры и давления, теперь определяются с помощью пользовательских функций Полковова Вячеслава Леонидовича с более высокой точностью.

4. Попытался расширить диапазон применения программы. К турбулентному режиму (Re>10000) добавил переходный режим течения (2300<Re<10000). При этом столкнулся с отсутствием относительно точных формул для этого режима течения жидкости по трубам.

Важнейший критерий Нуссельта (Nu), необходимый для определения коэффициента теплоотдачи (α), вычисляется по нижеприведенным формулам, которые были выбраны после долгого и тщательного анализа существующих критериальных зависимостей, предложенных Михеевым М.А., Исаченко В.П., Кутателадзе С.С., Петуховым Б.С., В. Гниелински. Так как в расчетах никак не учитывается шероховатость поверхностей труб и степень их загрязненности, то предпочтение было отдано выражениям, которые выдают при прочих равных меньшие значения критерия Нуссельта.

Для потока воды в круглом сечении внутренней трубы:

• При 2300<Re<10000:

Nu₁=K₀₁*Pr₁^0,43*(Pr₁/Pr_ст1)^0,25

где:

К₀₁=-0,002*(Re₁/1000)⁴+0,0633*(Re₁/1000)³-0,854*(Re₁/1000)²+8,7529*(Re₁/1000) -12,639

• При Re>10000:

Nu₁=0,021*Re₁^0,8*Pr₁^0,43*(Pr₁/Pr_ст1)^0,25

Для потока воды в кольцевом сечении межтрубного пространства:

• При 2300<Re<10000:

Nu₂=K₀₂*Nu»₂+(1- K₀₂)*Nu’₂

где:

К₀₂=(Re₂-2300)/(10000-2300)

Nu’₂=4*(Pr₂/Pr_ст2)^0,25  /при Re=2300/

Nu»₂=0,017*10000^0,8*Pr₂^0,4*(Pr₂/Pr_ст2)^0,25*(d₂/D₁)^0,18  /при Re=10000/

• При Re>10000:

Nu₂=0,017*Re₂^0,8*Pr₂^0,4*(Pr₂/Pr_ст2)^0,25*(d₂/D₁)^0,18

Определяющим размером для кругового сечения является диаметр d₁, для кольцевого сечения – эквивалентный диаметр d_экв=d₂—D₁. Определяющая температура – средняя температура потока t_i.

5. Расчет теплопередачи выполнен по формулам для цилиндрической стенки без упрощений, примененных ранее, где использовались зависимости для плоской стенки.

Линейный коэффициент теплопередачи (K_L) вычисляется по формуле:

K_L=1/(1/(α₁*d₁)+1/(2*λ_ст)*LN (D₁/d₁)+1/(α₂*D₁))

Линейная плотность теплового потока (q_L):

q_L=K_L*Δt_ср*π

6. Расчетная длина нагревателя (L):

L=N/q_L

Температуры поверхностей стенок (t_стi), как и ранее, определяются  шестью итерациями, чего более чем достаточно для обеспечения абсолютной точности вычислений.

Четыре важных замечания:

1. При проектировании теплообменников переходного режима течения жидкостей следует, все-таки, стремиться избегать по причине низкого значения коэффициента теплоотдачи (α_i) и значительной погрешности существующих методик расчетов.

2. По данным открытых источников расхождение результатов экспериментов и расчетов по примененным в новой версии программы формулам находится в весьма широких пределах ±20%.

3. На скриншотах в основной статье и в P. S. показаны примеры расчетов с одинаковыми исходными данными. Расчетная длина нагревателя, полученная по старой программе, на 25% меньше, чем по обновленной версии! Это обусловлено в первую очередь тем, что для потока в кольцевом сечении при переходном режиме была не совсем правомерно применена формула для турбулентного течения.

4. Программа тестировалась на примере задачи 12-2 из Задачника по теплопередаче (Краснощеков Е.А., Сукомел А.С., 1980, стр. 219-222). Расхождение результатов — расчетных длин — 1,2%. При этом в Задачнике расчет выполнен по упрощенным формулам и без итераций.

Ссылка на скачивание файла с обновленной программой:

teploobmennik-truba-v-trube-2(xls 156KB)

Другие статьи автора блога

На главную

Статьи с близкой тематикой

Отзывы

Расчетные программы подбора теплообменников пластинчатого типа, представленные по ссылкам ниже, можно скачать БЕСПЛАТНО!

Основным видом расчета при проектировании пластинчатых теплообменников является тепловой расчет, позволяющий определить требуемую поверхность теплообмена. Программы подбора теплообменников ориентированы на проектировщиков и специалистов в сфере ЖКХ (для систем отопления и горячего водоснабжения (ГВС)), для промышленных предприятий. Они предназначены для расчета теплообменных аппаратов (разборных, паяных), работающих на средах «жидкость – жидкость», «пар-жидкость».

Программы для подбора и расчета теплообменников

Внимание! Расчетные программы Alfa Laval и Danfoss доступны в онлайн режиме только для официальных дилеров продукции. Поэтому для точного подбора и расчета теплообменника просим заполнить ЭТУ ФОРМУ.

Основной функционал расчетной программы

1. Конструкторский расчет – подбор ПТО для сред «жидкость – жидкость» по имеющимся (наиболее напряженным) тепло-гидравлическим условиям работы.
2. Проверочный расчет – определение тепло-гидравлических характеристик подобранного оборудования при заданном режиме.
3. Расчет 2-х ступенчатой смешанной схемы горячего водоснабжения (ГВС)
   В рамках данного расчета осуществляется:
   • подбор ПТО для раздельных ступеней 2-х ступенчатой смешанной схемы ГВС
   • подбор моноблока для 2-х ступенчатой схемы ГВС
   • подбор ПТО для альтернативной схемы ГВС — с заниженной обраткой теплоносителя.
4. Конденсация – подбор ПТО для сред «водяной пар-жидкость» по имеющимся (наиболее напряженным) тепло-гидравлическим условиям работы в условиях конденсации.

Возможные ограничения

Ограничения для незарегистрированных пользователей следующие:

• печать расчетов невозможна
• автоматическое обновление расчетного алгоритма невозможно

ВНИМАНИЕ! Программа с помощью всех необходимых расчетов поможет сориентироваться в выборе теплообменника пластинчатого в конкретных условиях. Для получения доступа ко всем функциям программы и для автоматического обновления программы через Интернет продукт нужно зарегистрировать. Регистрация занимает минимум времени и введена для того, чтобы авторизованные пользователи могли постоянно пользоваться наиболее актуальным механизмом подбора оборудования. Зарегистрированный пользователь получает возможность работы с наиболее актуальным расчетным алгоритмом, учитывающим самые последние данные о физико-химических и тепловых параметрах комплектующих ПТО. В этом случае исключаются опасность ошибок и необходимость повторной проверки клиентских расчетов.

Системные требования программы

• Операционная система: Windows 2000 SP3; Windows 98; Windows 98 Second Edition; Windows ME; Windows Server 2003; Windows XP SP2/ Windows Vista/ Windows 7;
• Framework 2.0
• Процессор: PIII 700 Hz
• RAM: 128 Mb
• HDD: 10 Mb
• Минимальное разрешение экрана: 1024×768

Преимущества заказа теплообменников в ТеплоПрофи

Компания ООО «ТеплоПрофи Рус» предлагает купить пластинчатый теплообменник по цене производителя, с возможностью бесплатной доставки по России и СНГ до вашего объекта. Наши специалисты помогут подобрать и рассчитать необходимое теплообменное оборудование, отталкиваясь от ваших требований.

Подбор и расчет стоимости теплообменника удобным для вас способом

ЗАПОЛНИТЕ ФОРМУ ОН-ЛАЙН ЗАЯВКИ

Поля, с заполнением которых возникли трудности, просто оставьте пустыми. Укажите имеющиеся значения и контакты для связи.

Подберем лучшее решение под ваши требования

• Точный технический расчет без погрешностей.
• Не удешевляем, манипулируя техническими параметрами.
• Для самых сложных задач подключаем инженеров завода-производителя.
• Учитываем технические нюансы, поможем собрать необходимые данные для расчета.

Обращайтесь в любых ситуациях

Оборудование вышло из строя (аварийная ситуация)

Договоримся с заводом об уменьшении сроков изготовления, организуем экспресс доставку.

Оборудование устарело, плановое регулярное обслуживание

Учтем все требования: подберем решение под существующие габаритные и присоединительные размеры.

Увеличение мощности / реконструкции / модернизации

Поможем собрать все необходимые данные для расчета. Подберем необходимое оборудование и выдадим решение в виде монтажной схемы.

Просчет экономического обоснования

Помогаем с обоснованием решения и цены перед руководством.

Проверка подрядчиков

Рассчитаем вариант под Ваш бюджет и расскажем о том какое оборудование выгоднее закупать самостоятельно.

Расчёты в Excel

Построение температурного графика для системы отопления	temper.grafik.xls	26 кБ	Скачать
Построение графика требуемой температуры воды на общем выходе котлов	hydraulische_Weiche_график.xls	94 кБ	Скачать

Расчёт объёма мембранного расширительного бака для воды	MRB_raschyot.xls	28 кБ	Скачать

Расчёт Kv последовательного соединения (до пяти составляющих)	Kv_chain.xls	25 кБ	Скачать

Расчёт координат рабочей точки насоса по его характеристике и Kv контура	raschyot_nasos_-_Kv.xls	33 кБ	Скачать
Расчёт потерь напора по длине	hydr_raschyot.xls	22 кБ	Скачать
Расчёт максимального давления воды на входе клапана при отсутствии кавитации в нём	raschyot_max_vhod_davleniya_klapana.xls	15 кБ	Скачать
Расчёт диаметра отверстия дроссельной диафрагмы	diametra_diafr_raschyot.xls	19 кБ	Скачать
Расчёты дроссельных диафрагм для наладки теплосети (Excel)	naladchiku_teploseti.zip	439 кБ	Скачать
И.М. Сапрыкин. Выбор и расчёт режимов элеватора	elevatora_raschyot.xls	25 кБ	Скачать

Расчёты после наладки режимов горения водогрейного котла с двухступенчатой газовой горелкой	tiptop_4_(q5ф_-_по расходу газа).xls	600 кБ	Скачать

Расчёт длины рычага газовой заслонки для четвертьоборотного МЭО	raschyot_gas_zaslonki.xls	22 кБ	Скачать

the Peace of «I»,

Вячеслав Штренёв

Тепловые расчеты

Назначение программы

Процессы теплообмена находят широкое применение в химической, нефтеперерабатывающей, энергетической, металлургической и пищевой промышленности. В химической промышленности на долю теплообменного оборудования приходится 15-18%, а в нефтеперерабатывающей – до 50% от всего оборудования.
Тепловые процессы используются в промышленности для нагревания холодных теплоносителей, для, охлаждения нагретых сред для проведения процессов испарения, конденсации, выпаривания, плавления, кристаллизации и др. Основным видом расчета при проектировании теплообменной аппаратуры является тепловой расчет, позволяющий определить требуемую поверхность теплообмена.

Программа Heat Exchangers Design (HeatExchange) предназначена для проведения ряда тепловых расчетов следующих видов теплообменников:

1. теплообменника «труба-в-трубе» (агрегатное состояние продукта и теплоносителя не меняется);
2. кожухотрубчатого теплообменника (агрегатное состояние, как продукта, так и теплоносителя может изменяться);
3. пластинчатого теплообменника (агрегатное состояние продукта и теплоносителя не меняется);
4. внутреннего концентрического змеевика емкостного аппарата (агрегатное состояние продукта в аппарате не меняется, в змеевике возможна конденсация паров теплоносителя);
5. рубашек емкостного аппарата, выполненных из труб, полутруб, уголка или швеллера (агрегатное состояние продукта в аппарате не меняется, в рубашке возможна конденсация паров теплоносителя).

Для решения задач определения необходимых параметров вышеперечисленных теплообменников требуется задать ряд исходных и справочных данных.

В состав программного комплекса также входит справочник теплофизических свойств веществ, содержащий зависимости характеристик используемых рабочих сред и теплоносителей от температуры: плотность, динамическая вязкость, удельная теплоемкость, коэффициент теплопроводности, коэффициент объемного расширения, коэффициент поверхностного натяжения, удельная теплота парообразования, а также коэффициенты теплопроводности материалов стенок и изоляционных материалов.

При выборе вещества из справочника все его известные теплофизические свойства задаются автоматически. Также допускается их ввод пользователем системы.

Требования к конфигурации компьютера.

Для функционирования программы необходим персональный компьютер IBM PC, работающий под управлением операционной системы семейства Microsoft Windows, версии не ниже Windows 98 с установленным пакетом Microsoft .NET Framework 2.0 или более поздней версии. Желательно наличие Microsoft Word 2003 или более поздней версии для сохранения результатов расчета программы в соответствующем формате (*.doc, *.rtf и т.п.) и вывода на печать.

Демонстрационную версию программы Вы можете получить здесь.